Композиционные материалы

План лекции
Что такое композиционные материалы, матрица и ее роль в композиционном материале?
Что такое упрочняющие компоненты в композитах?
На какие виды подразделяются композиты по назначению и виду вяжущего?
4. Как классифицируются композиционные материалы
5. На какие виды подразделяются композиты в зависимости от строения макроструктуры

Композиционный материал (КМ)
Это материал, состоящий из двух или нескольких компонентов, которые отличаются по своей природе или химическому составу, где компоненты объединены в единую монолитную структуру с границей раздела между структурными составляющими (компонентами), оптимальное сочетание которых позволяет получить комплекс физико-химических и механических свойств, отличающихся от комплекса свойств компонентов

Все композиционные материалы изготавливаются по похожей структуре — у них есть армирующее вещество и матрица.
Арматура — это то, что передает материалу физические и химические свойства, является его основой.
Матрица придает изделию форму, фиксируя арматуру определенным образом.

Компоненты композита
Компонент, непрерывный во всем объеме композиционного материала, называется матрицей.
Компонент или компоненты прерывистые, разъединенные материей, называются арматурой или армирующим компонентом, или, иногда, наполнителем.

Армирующие компоненты
В качестве армирующих компонентов (наполнителей) полимерных композиционных материалов (ПКМ) обычно применяют твердые наполнители: непрерывные и дискретные волокна различной природы, ткани и нетканые материалы на основе этих волокон. Наибольшее распространение получили пластики, армированные стеклянными, углеродными, органическими, борными и некоторыми другими видами волокон.

Классифиция
Композиционный материал классифицируется по нескольким основным признакам:
а) материалу матрицы и армирующих компонентов;
б) структуре: геометрии (морфологии) и расположению компонентов (структурных составляющих);
в) методу получения;
г) области применения.

Преимущества
Изделия получаются очень прочные, некоторые виды композиционных материалов, например, стеклопластики, по своей прочности способны соперничать с металлом. При этом они отличаются гибкостью и хорошо переносят различные воздействия.
Композиты отличаются своей легкостью, по сравнению с аналогами. Легкие балки, изготовленные из стекловолокна, гораздо лучше подходят для создания перекрытий в больших помещениях, чем металлические. Получившаяся конструкция не потеряет в прочности и качестве, но при этом требует гораздо меньших усилий во время проведения монтажных работ.
Материалы отличаются высокой устойчивостью к воздействию агрессивной среды, поэтому из них можно создавать не только внутренние конструкции, но и использовать для внешних, открытых воздействию солнечных лучей, осадков и резкой смене температур.
Химические реагенты не страшны композитным материалам, поэтому их можно использовать, например, для возведения складов, где будут храниться химикаты.
Благодаря новым технологиям, современные композиты перестали быть пожароопасными, они не позволяют пламени распространиться, практически не дымят и не выделяют опасных ядовитых веществ.

Недостатки
Высокая стоимость — основная проблема композиционных материалов. Для их изготовления необходимо специальное сырье и современное оборудование, поэтому и готовые изделия получаются достаточно дорогими.
Материалы обладают гигроскопичностью, то есть, легко впитывают влагу, что ведет к дальнейшему разрушению. Поэтому их необходимо дополнительно укреплять при производстве влагостойкими защитными средствами.
Некоторые композиционные материалы имеют низкую ремонтопригодность, что повышает стоимость их эксплуатации.
Композиционные материалы, как и любые другие, имеют свои достоинства и недостатки.

Бетоны
Их матрица может быть как традиционной, цементной, так и созданной на основе новых технологий — полимерной. Разновидностей бетонов существует огромное множество, они отличаются своими свойствами и областью применения — от обычных до декоративных. Современные бетоны по своей прочности приближаются к металлическим конструкциям.

Стеклопластики
Стеклопластики — полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т. д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и т. д.). Эти материалы обладают достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн. Использование стеклопластиков началось в конце Второй мировой войны для изготовления антенных обтекателей — куполообразных конструкций, в которых размещается антенна локатора. В первых армированных стеклопластиках количество волокон было небольшим, волокно вводилось, главным образом, чтобы нейтрализовать грубые дефекты хрупкой матрицы. Однако со временем назначение матрицы изменилось — она стала служить только для склеивания прочных волокон между собой, содержание волокон во многих стеклопластиках достигает 80 % по массе. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом.

Углепластики
Углепластики - наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и т. д.
Для изготовления углепластиков используются те же матрицы, что и для стеклопластиков — чаще всего — термореактивные и термопластичные полимеры. Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики — очень лёгкие и, в то же время, прочные материалы.
Углеродные волокна и углепластики имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения. Все углепластики хорошо проводят электричество, чёрного цвета, что несколько ограничивает области их применения..

Текстолиты
Это слоистые материалы, армированные тканями на основе различных волокон. Заготовки-полотна заранее пропитывают смолой, а затем прессуют с использованием режима высокой температуры, получая готовый к применению пласт. Поскольку наполнители могут быть очень разными, то и свойства значительно разнятся

Органопластики
композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические, реже — природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и т. д. В термореактивных органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, а также полиимиды. Материал содержит 40—70 % наполнителя. Содержание наполнителя в органопластиках на основе термопластичных полимеров — полиэтилена, ПВХ, полиуретана и т. п. — варьируется в значительно больших пределах — от 2 до 70 %.
Органопластики обладают низкой плотностью, они легче стекло- и углепластиков, относительно высокой прочностью при растяжении; высоким сопротивлением удару и динамическим нагрузкам, но, в то же время, низкой прочностью при сжатии и изгибе.